Verbesserte Leistung von AlGaN-basierten tiefen Ultraviolett-Lichtemissionsdioden mit gechirpter Supergitter-Elektronenverzögerungsschicht

Einführung

In den letzten Jahren haben AlGaN-basierte tief-ultraviolette (DUV) Leuchtdioden (LEDs), deren Spektren UVB (320 nm–280 nm) und UVC (280 nm–100 nm) zugeschrieben werden, aufgrund ihrer Anwendungen viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen bei Pflanzenbeleuchtung, Phototherapie, Wasserreinigung und Luft- und Oberflächensterilisation [1,2,3,4,5,6]. Allerdings sinkt die Lichtausgangsleistung (LOP) der modernen AlGaN-basierten DUV-LEDs mit kürzer werdender Lichtemissionswellenlänge deutlich [7, 8]. Diese DUV-LEDs leiden unter niedriger interner Quanteneffizienz (IQE), Lichtextraktionseffizienz (LEE) und Ladungsträgerinjektionseffizienz (CIE) [9,10,11,12,13]. Im Allgemeinen wird ein mangelhafter IQE durch eine große Dichte von Defekten und Einfädelversetzungen verursacht, während ein unzureichender LEE auf die Polarisation von AlGaN-Materialien und die Absorption durch die undurchsichtige p-GaN-Kontaktschicht zurückzuführen ist [14,15,16,17,18]. Darüber hinaus ist der Elektronenüberlauf der Hauptgrund für die schlechte CIE, der auf die unzureichende Lochdichte und die deutlich unausgeglichene Mobilität von Elektron und Loch in AlGaN-Materialien zurückzuführen ist [19, 20].

Herkömmlicherweise wird eine AlGaN-Elektronenblockierschicht (EBL) vom p-Typ mit hohem Al-Gehalt verwendet, um den Elektronenüberlauf zu unterdrücken. Aber nur wenige Löcher können durch die Barriere im Valenzband, die von der EBL eingeführt wird, in den aktiven Bereich injiziert werden, und noch weniger Löcher können die Barrieren des aktiven Bereichs durchqueren und aufgrund von niedrigem zu den Quantentöpfen in der Nähe von n-Schichten transportieren Aktivierungseffizienz des Mg-Dotierungsmittels und geringe Beweglichkeit der Löcher [21]. Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Elektronen- und Lochinjektion zu verbessern, wie beispielsweise eine Lochbarriereschicht, eine speziell entworfene letzte Barriere, EBL und Mehrfachquantentopfstrukturen [22,23,24,25,26]. Trotzdem wird die Leistung von DUV-LEDs nicht wesentlich verbessert.

In dieser Arbeit haben wir eine neuartige DUV-LED-Struktur mit Superlattice Electron Deceleration Layer (SEDL) vorgeschlagen, um die Elektroneninjektion zu verlangsamen und den Elektronenüberlauf einzuschränken, ohne die Lochinjektion zu beeinträchtigen. Wir haben die Auswirkungen mehrerer SEDLs auf die Leistung von DUV-LEDs experimentell und numerisch untersucht. Die DUV-LEDs wurden durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) gezüchtet und in 762 × 762 μm ² . hergestellt Chips, die eine Einzelpeak-Emission bei 275 nm aufweisen. Die externe Quanteneffizienz (EQE) von 3,43% und die Betriebsspannung von 6,4 V wurden bei einem Durchlassstrom von 40 mA gemessen, was darauf hinweist, dass die Wandsteckereffizienz 2,41% der DUV-LEDs mit aufsteigendem Al-Gehalt chirpter SEDL beträgt. Die Lebensdauer der DUV-LED mit aufsteigendem Al-Gehalt chirpter SEDL wird mit über 10.000 h bei L50 gemessen. Darüber hinaus wird der Mechanismus der Leistungssteigerung durch theoretische Simulation untersucht. Es wurde bestätigt, dass gechirpte SEDLs in der Lage sind, die Elektronen- und Lochinjektion in den aktiven Bereich auszugleichen, was die strahlende Rekombination in den ersten paar Quantentöpfen in der Nähe von n-Schichten fördert.

Methoden und experimenteller Abschnitt

Epitaxie durch MOCVD

AlGaN-basierte DUV-LED-Heterostrukturen wurden unter Verwendung eines vertikalen Kaltwand-MOCVD-Systems gezüchtet. Für die Epitaxie der gesamten Struktur, Trimethylaluminium (TMA), Trimethylgallium (TMG) und Ammoniak (NH₃ ) wurden als Al-, Ga- bzw. N-Quellen verwendet. H₂ als Trägergas verwendet wurde. Abbildung 1a veranschaulicht das Schema für die DUV-LED-Struktur mit gechirpter SEDL. Das Wachstum wurde mit einem 2,7 µm dicken AlN initiiert, wobei das Wachstumsverfahren mit anfänglicher AlN-Gradientenzwischenschicht zur Modifikation des Wachstumsmodus verwendet wurde [27], dann ein 3 µm dickes Si-dotiertes Al_0,6 Ga_0,4 N-n-Typ-Kontaktschicht, deren Elektronenkonzentration und Mobilität dieser n-Typ-Schicht mit 4,5 × 10 ¹⁸ . gemessen wird cm ⁻³ und 52 cm ² /V s nach Hall-System. Es folgt die 40 nm dicke undotierte SEDL. Abbildung 1b–e. zeigt die Bandstrukturen der herkömmlichen DUV-LED und drei vorgeschlagener DUV-LED mit SEDL, die als Proben A, B, C bzw. D bezeichnet werden. Wie in Abb. 1c gezeigt, weist Probe B eine einheitliche SEDL von 20 Perioden homogenem Al_0,65 . auf Ga_0,35 N/Al_0,5 Ga_0,5 N Übergitter. Die gechirpten SEDLs der Proben C und D bestehen aus vier Sätzen von 5-Perioden-Übergittern mit unterschiedlichen Schichten mit hohem Al-Gehalt, nämlich 0,7, 0,65, 0,6 und 0,55, während die Al-Zusammensetzung der Schichten mit niedrigem Al-Gehalt konstant auf 0,5 gehalten. Bei Probe C steigen die Al-Zusammensetzungen der Schichten mit hohem Al-Gehalt allmählich von unten nach oben an, was im Gegensatz zu der für Probe D steht, wie in Fig. 1d und e gezeigt. Die Dicken jeder Schicht für SEDL werden konstant auf 1 nm eingestellt. Der aktive Bereich von DUV-LEDs besteht aus einem Al_0,6 Ga_0,4 N:Si-Mantelschicht für die Stromverteilung, gefolgt von einem 5-Perioden-Mehrfachquantentopf unter Verwendung von 14 nm dickem Al_0,57 Ga_0.43 N-Barrieren und 2 nm dickes Al_0,45 Ga_0,55 N Brunnen. Dann Al_0,7 Ga_0.3 N:Mg-EBL- und GaN:Mg-p-Typ-Kontaktschichten wurden nacheinander aufgewachsen. Die Lochkonzentration und Mobilität von p-GaN wird mit 3,6 × 10 ¹⁷ . gemessen cm ⁻³ und 15 cm ² /V s nach Hall-System.

Simulation der entworfenen Strukturen von DUV LED mit und ohne SEDL. a Ein Schema der DUV-LED-Struktur mit gechirptem SEDL. Die 20-Perioden-SEDL mit unterschiedlichen Al-Zusammensetzungen wird zwischen der n-Typ-AlGaN-Schicht und der AlGaN-Stromausbreitungs-Mantelschicht eingefügt. b Gesamtbandstruktur eines konventionellen Samples (a ) ohne SEDL. Der hervorgehobene Bereich bezieht sich auf den designierten Bereich, in den die SEDL eingefügt werden soll. c Bandstruktur der SEDL der Probe (b ), welches das 20-Perioden homogene Al0.5Ga0.5N/Al0.65Ga0.35N Übergitter ist. Jede Schicht der SEDL ist 1 nm groß. d Bandstruktur der SEDL der Probe (c ), das sind vier Sätze des SEDL-Übergitters mit abnehmendem 5-Perioden-Al-Gehalt mit unterschiedlichen Schichten mit hohem Al-Gehalt, nämlich 0,7, 0,65, 0,6 und 0,55. e Bandstruktur der SEDL der Probe (d ), das sind vier Sätze des 5-Perioden aufsteigenden Al-Gehalt-SEDL-Übergitters mit verschiedenen Schichten mit hohem Al-Gehalt, nämlich 0,55, 0,6, 0,65 und 0,7

Geräteherstellung

Nach dem MOCVD-Wachstum wurden DUV-LEDs mit Standardverarbeitungstechniken hergestellt. Zuerst wurden Mesastrukturen mit quadratischen und Fingergeometrien durch Trockenätzen bis zu 150 nm unterhalb der Oberseite von Si-dotiertem Al_0,6 . gebildet Ga_0,4 n-Kontaktschicht, gefolgt von einem Tempern bei 900°C, um den Ätzschaden zu reparieren. Dann wurde ein Ti/Al/Ni/Au-n-Kontakt-Metallstapel abgeschieden und bei 850°C in einer Stickstoffatmosphäre geglüht. Anschließend wurde ein ITO-Film aufgedampft und bei 250°C getempert, um einen p-Kontakt zu verwenden, gefolgt von einer Dickelektrodenaufdampfung, einer Passivierungsschichtabscheidung, einer Pad-Aufdampfung und einem Stealth-Dicing in 762 × 762 μm ² Chips.

Simulation

Um den Mechanismus der Leistungssteigerung von DUV-LEDs zu beleuchten, wurden das Banddiagramm, die optischen Eigenschaften und die Trägertransporteigenschaften dieser Struktur simuliert, indem die Schrödinger-Gleichung, die Poisson-Gleichung, die Trägertransportgleichungen und die Stromkontinuitätsgleichung selbstkonsistent gelöst wurden durch Crosslight APSYS (Advance Physical Model of Semiconductor Devices)-Programme [28]. Die Shockley-Read-Hall (SRH)-Rekombinationszeit wird für alle Schichten außer der eingefügten Schicht vom p-Typ auf 1 ns eingestellt, da die SRH-Lebensdauer vom Dotierungsniveau abhängt [29]. Der interne Verlust beträgt 2000 m ⁻¹ [30]. Der Bogenparameter b beträgt 1 eV, und das Band-Offset-Verhältnis wird für AlGaN-Materialien mit 0,7/0,3 angenommen [31]. Der Auger-Rekombinationskoeffizient wird auf 1 × 10 ^–30 . eingestellt cm ⁶ /s passend zum Experiment [32]. In dieser Simulation werden die eingebauten Grenzflächenladungen aufgrund der spontanen und piezoelektrischen Polarisation basierend auf der von Fiorentini et al. vorgeschlagenen Methode berechnet. [33]. Darüber hinaus werden unter Berücksichtigung der Abschirmung durch Defekte die Oberflächenladungsdichten mit 40% der berechneten Werte angenommen [34].

Ergebnisse und Diskussion

Da vier Proben identische AlN- und n-Typ-AlGaN-Template besitzen, wurden die kristallinen Qualitäten der Proben A, B, C und D durch hochauflösende Röntgenbeugung (HR-XRD) gemessen. Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden für beide Schichten Röntgen-Rocking-Kurven (XRC) entlang der symmetrischen Ebene (002) und der asymmetrischen Ebene (102) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die XRC-Halbwertsbreite (FWHM) und die Durchdringungsversetzungsdichte (TDD) von vier Proben nahezu gleich sind, was darauf hinweist, dass die kristalline Qualität nicht der Hauptgrund für die Leistungsverbesserung der Vorrichtung ist. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die Threading Dislocation Density (TDDs) in der AlGaN-Schicht höher ist als in der AlN-Schicht, was auf Mischkristalleigenschaften, Grenzflächendefekte und Si-dotierte Verunreinigungen zurückzuführen ist [35]. Nach den Untersuchungen von Ban et al. Über die Korrelation zwischen IQE und TDD liegt der IQE für alle Stichproben in dieser Arbeit bei ungefähr 30–40 % [36].

Um das erfolgreiche Wachstum der neuartigen Struktur zu bestätigen, führten wir repräsentative Querschnittsmessungen mit Hellfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie (BF-STEM) für die typische Probe B durch, wie in Abb. 2 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die TDDs Abnahme während des gesamten Wachstumsprozesses des 2,7 µm dicken AlN in Abb. 2a. Abbildung 2b zeigt eine gute Periodizität und eine fast 1 nm dicke Schicht in jeder SEDL-Periode. Darüber hinaus sind in Abb. 2c fünf Perioden von mehreren Quantentöpfen mit unterschiedlichen Grenzflächen zu erkennen, von denen die Barrieren 14 nm und die Wells etwa 2,1 nm betragen.

Morphologische Charakterisierung einer typischen Probe B. a STEM-Querschnittsbild des AlN-Templats. b STEM-Querschnittsbild im Bereich von 20 SEDL-Perioden. c STEM-Querschnittsbild in der aktiven Region

Um die Geräteleistung zu untersuchen, wurden DUV-LED-Chips eutektisch auf ein AlN-Keramiksubstrat gebondet, um den Erwärmungseffekt zu minimieren. Anschließend wurde das Substrat mit Lötpaste auf eine sechseckige Aluminiumplatte montiert. Dann wurden elektrische und optische Messungen unter Verwendung des photoelektrischen Analysesystems ATA-1000, das mit einer Ulbrichtkugel mit 30 cm Durchmesser ausgestattet war, durchgeführt [37]. Abbildung 3a zeigt die Variationen der Lichtausgangsleistung (LOP) gegenüber dem Injektionsstrom. Die LOPs von Probe D mit ansteigendem Al-Gehalt SEDL betragen 6,17 µmW bei 40 µmA, 14,99 µmW bei 100 µmA und 44,975 µmW bei 360 µmA, was einen Faktor von dreimal höher ist als bei konventioneller Probe A ohne SEDL. Dies weist darauf hin, dass SEDL für die Unterdrückung des Elektronenüberlaufs und die Lochinjektion von Vorteil ist. Währenddessen kann bei vier Proben eine leichte LOP-Sättigung beobachtet werden, wenn mit hohen Vorspannungen gearbeitet wird, was mit dem Heizeffekt und der Auger-Rekombination zusammenhängt [38]. Die EQE gegenüber dem Injektionsstrom ist in Abb. 3b dargestellt. Der maximale EQE beträgt 3,43 % bei 40 mA für Probe D, während der EQE bei nur 1,17% für Probe A seinen Spitzenwert erreicht. Unterdessen sind die LOP und EQE von Probe D mit steigendem Al-Gehalt SEDL höher als die von Probe B mit gleichförmigem und abnehmende SEDLs mit Al-Gehalt, was eine effizientere Strahlungsrekombination in Probe D demonstriert. Die gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien für alle Proben sind in Abb. 3c gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Einbau von SEDLs die Betriebsspannung von 5,13 V bei 40 mA für Probe A auf 7,09 V bei 40 mA für Probe B aufgrund der Erhöhung des spezifischen Widerstands der SEDL mit hoher Al-Zusammensetzung erhöht. Außerdem ist zu erkennen, dass die Betriebsspannung für die Proben C und D niedriger ist als für die Probe B. Entsprechend dem Strukturdesign und der Transmissionsmessung für die einschichtigen Proben ist die durchschnittliche Al-Zusammensetzung der Barrieren von Probe C und D SEDL beträgt 62,5%, während die von Probe B 65% beträgt. Der höhere Al-Gehalt führt zu einer geringeren Dotierungseffizienz und einem höheren Widerstand, was zu einer Erhöhung der Betriebsspannung führt. Es ist erwähnenswert, dass die Spannung von Probe D 6,4 V bei 40  mA beträgt, was zu einem maximalen Wandstecker-Wirkungsgrad (WPE) von 2,41% führt. Die Elektrolumineszenzspektren bei 10 mA sind in Abb. 3d gezeigt. Die Spitzenemissionen von vier Proben liegen alle bei etwa 275 nm, und der Trend der Spitzenintensität entspricht dem LOP. Dies weist auch darauf hin, dass die gechirpte SEDL mit steigendem Al-Gehalt zur Verbesserung der Leistung von DUV-LED-Geräten verfügbar ist.

Elektrische und optische Eigenschaften von Proben mit unterschiedlichen SEDLs bei Raumtemperatur. a Abhängigkeit der LOP vom Injektionsstrom unter den CW-Vorspannungen. b Abhängigkeit von EQE vom Injektionsstrom unter den CW-Vorspannungen. c Abhängigkeit des Injektionsstroms von der Betriebsspannung. d EL-Spektren aller Proben bei 10-mA-Injektionsstrom, deren Spitzenemissionen bei etwa 275 nm liegen

Um den für diese Verbesserung verantwortlichen Mechanismus zu beleuchten, wurden theoretische Simulationen mit dem APSYS-Programm durchgeführt und die Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. 4a und b. Es konnte festgestellt werden, dass die Elektroneninjektionsstromdichten von Proben mit SEDL etwas niedriger sind als die von Probe A ohne SEDL, während die Situation für den Lochinjektionsstrom umgekehrt ist, was zeigt, dass SEDL in der Lage ist, das Elektron vom n-Typ abzubremsen AlGaN-Elektroneninjektionsschicht und fördern dementsprechend die Lochinjektion. Die Strahlungsrekombinationsraten für alle Proben wurden in Abb. 4c berechnet. Mit dem Einbau verschiedener SEDLs wird die Strahlungsrekombinationsrate in den Quantentöpfen nahe der n-Schicht offensichtlich erhöht. Währenddessen werden von Probe A zu Probe D die Strahlungsrekombinationsraten in den fünf Quantentöpfen allmählich gleichförmig, was für Probe D mit ansteigendem Al-Gehalt chirpter SEDL fast gleich ist. Dies weist weiter darauf hin, dass SEDL die Injektion von Elektronen- und Lochträgern in den aktiven Bereich ausgleichen und die strahlende Rekombination in den ersten paar Quantentöpfen in der Nähe von n-Schichten in der Zwischenzeit fördern kann. Als Ergebnis wurden die IQEs für die vier Stichproben simuliert und in Abb. 4d aufgetragen. Der IQE von Stichprobe D ist der höchste, was mit dem EQE in Abb. 4b übereinstimmt. Darüber hinaus wird der Effizienzabfall in der Probe mit SEDL offensichtlich verbessert. Im gesamten Injektionsstrombereich beträgt der Wirkungsgradabfall 70,33 %, 59,79 %, 48,93 % bzw. 36,26 % für die Proben A, B, C und D, was definiert ist als der Wirkungsgradabfall = (IQE_max − IQE_250 mA )/IQE_max . Es wird allgemein angenommen, dass der Wirkungsgradabfall durch Elektronenlecks und unzureichende Lochinjektion verursacht wird [39]. Die Verbesserung des Wirkungsgradabfalls verdeutlicht, dass SEDL den Ladungsträgertransport in den aktiven Bereich ausgleichen und die Strahlungsrekombination in den Quantentöpfen fördern kann, was letztendlich die Geräteleistung verbessert.

Theoretische Simulationen und Analysen. a Elektronenstromdichte im aktiven Bereich bei einem Injektionsstrom von 200 mA. b Lochstromdichte im aktiven Bereich bei einem Injektionsstrom von 200 mA. c Strahlungsrekombinationsrate in den Mehrfachquantentöpfen bei einem Injektionsstrom von 200  mA. d Abhängigkeit des berechneten IQE vom Injektionsstrom

Die Lebensdauer der Geräte wurde bei 20 mA und Raumtemperatur gemessen. Um die Genauigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden für jede Probe 10 Chips zufällig ausgewählt und der Durchschnitt der relativen LOP von ihnen zu unterschiedlichen Belastungszeiten wurde in Abb. 5 dargestellt. Wie gezeigt, wurde im Vergleich zu Probe A die Lebensdauer der Proben mit SEDL wird natürlich erweitert. Die Degradation von LED-Geräten hängt teilweise mit der Ansammlung von Defekten, ohmschen leitenden Kanälen und mangelhafter Ladungsträgerinjektion zusammen [40]. Die Verbesserung der Lebensdauer bestätigt weiter, dass SEDL den Elektronen- und Lochtransport ausgleichen und die Ladungsträgerinjektion in den aktiven Bereich fördern kann. Darüber hinaus beträgt die durchschnittliche Betriebslebensdauer für Probe D mit ansteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL über 10.000 h bei L50, was für die praktische Anwendung ausreichend ist.

Der relative LOP als Funktion der Alterungszeit für alle Proben bei 20 mA und Raumtemperatur. Die Alterung wird gestoppt, wenn der relative LOP unter 50 % liegt. Schwarze, rote, grüne und blaue Kurven repräsentieren Proben a , b , c , und d , bzw. Die Lebensdauer für Probe D mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL beträgt über 10.000 h bei L50

Schlussfolgerung

Die Auswirkungen der gechirpten Übergitter-Elektronenverzögerungsschicht auf die DUV-LEDs werden experimentell und numerisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass gechirpte SEDLs in der Lage sind, die Elektronen- und Lochinjektion in den aktiven Bereich auszugleichen, was die strahlende Rekombination in den ersten paar Quantentöpfen in der Nähe von n-Schichten fördert. Die Erhöhung der Strahlungsrekombination führt weiter zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit der DUV-LED-Vorrichtung. Die DUV-LEDs auf AlGaN-Basis wurden in 762 × 762 μm ² . hergestellt Chips, die eine Einzelpeak-Emission bei 275 nm aufweisen. Eine externe Quanteneffizienz von 3,43 % und eine Betriebsspannung von 6,4 V werden bei einem Durchlassstrom von 40  mA gemessen, was zeigt, dass die Wandstecker-Effizienz 2,41% der DUV-LEDs mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL beträgt. Die Lebensdauer der DUV-LED mit ansteigendem Al-Gehalt chirpter SEDL wird aufgrund der Ladungsträgerinjektionsförderung mit über 10.000  h bei L50 gemessen. Eine weitere Verbesserung ist durch die Einführung von Laser-Lift-Off, Oberflächenaufrauung, reflektierender Elektrode und Verkapselung zu erwarten. Im Allgemeinen zeigt die entwickelte DUV-LED mit gechirptem SEDL zufriedenstellende elektrische Eigenschaften, günstige optische Leistung und wünschenswerte Zuverlässigkeit, was für eine hocheffiziente Wasserreinigung und Oberflächensterilisation vielversprechend ist.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten und Materialien im Manuskript sind verfügbar.

Abkürzungen

APSYS:

Erweitertes physikalisches Modell von Halbleiterbauelementen

BF-MINT:

Hellfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie

CIE:

Effizienz der Trägerinjektion

DUV:

Tiefes Ultraviolett

EBL:

Elektronenblockierschicht

EQE:

Externe Quanteneffizienz

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

HR-XRD:

Hochauflösende Röntgenbeugung

IQE:

Interne Quanteneffizienz

LED:

Leuchtdiode

LEE:

Lichtextraktionseffizienz

LOP:

Lichtausgangsleistung

MOCVD:

Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung

SEDL:

Übergitter-Elektronenverzögerungsschicht

SRH:

Shockley-Read-Hall

TDD:

Versetzungsdichte beim Einfädeln

TMA:

Trimethylaluminium

TMG:

Trimethylgallium

WPE:

Effizienz der Steckdosenleiste

XRC:

Röntgenschaukelkurve